افزایش کیوبیت‌ها می‌تواند رایانه‌های کوانتومی را به مرز توقف برساند

پیشرفت به سوی این هدف تا حدی به افزایش تعداد کیوبیت‌ها بستگی دارد، اما افزایش مقیاس ممکن است مشکلی را معرفی کند که تاکنون توجه بسیار کمتری به آن شده است.
 
به گزارش بیکینگ و به نقل از SciTechDaily، پژوهشگران مؤسسهٔ تحقیقاتی هلمهولتز درسدن گزارش داده‌اند که اثر زنوی کوانتومی می‌تواند در موارد شدید، محاسبات را با افزایش تعداد کیوبیت‌ها تقریباً متوقف کند.
 
دکتر گرنوت شالر، رئیس گروه فناوری‌های کوانتومی در مؤسسه فیزیک نظری، در این باره می‌گوید: «اثر زنوی کوانتومی یک مانع نادیده‌گرفته‌شده برای دسته خاصی از رایانه‌های کوانتومی است».
 
این نگرانی به رایانه‌های کوانتومی هم‌دما مربوط می‌شود که کیوبیت‌های خود را در حالت پایه، یعنی پایین‌ترین سطح انرژی موجود، نگه می‌دارند. برای انجام یک محاسبه، یک رایانه هم‌دما به آرامی چشم‌انداز انرژی کیوبیت‌ها را تغییر شکل می‌دهد.
 
این تنظیم باید به اندازه کافی تدریجی باشد تا کیوبیت‌ها در حالت پایه باقی بمانند. الگوریتم‌های هم‌دما مقاوم در نظر گرفته می‌شوند و می‌توانند توسط رایانه‌های کوانتومی تا حد زیادی مستقل از سخت‌افزار اجرا شوند.
 
پروفسور رالف شوتسهولد، مدیر این مؤسسه، توضیح می‌دهد: «الگوریتم‌های هم‌دما مقاوم در نظر گرفته می‌شوند و می‌توانند توسط رایانه‌های کوانتومی تا حد زیادی مستقل از سخت‌افزاری که استفاده می‌شود، اجرا شوند».
 
بنابراین، این رویکرد می‌تواند با کیوبیت‌های ساخته‌شده از ابررساناهای حالت جامد یا با یون‌های منفرد که درون تله‌های الکترومغناطیسی نگهداری می‌شوند، کار کند.

با این حال، یک رایانه کوانتومی تنها زمانی می‌تواند به درستی کار کند که کیوبیت‌های آن بیش از حد مختل نشوند. مهندسان با محافظت از کیوبیت‌ها در برابر تشعشعات الکترومغناطیسی و خنک‌سازی آنها تا نزدیک صفر مطلق، از آنها محافظت می‌کنند.
 
این اقدامات به حفظ برهم‌نهی کیوبیت‌ها کمک می‌کند. با وجود تمام این تدابیر، تأثیرات محیطی بر کیوبیت‌ها هرگز نمی‌تواند به طور کامل حذف شود. مدل نظری توسعه‌یافته توسط گروه شالر نشان می‌دهد که سیستم‌های هم‌دما با اتصال کیوبیت‌های بیشتر، آسیب‌پذیرتر می‌شوند.
 
با افزایش کیوبیت‌های مرتبط، سیستم باید تغییرات کوچک‌تری را در چشم‌انداز انرژی خود ردیابی کند و اینجاست که اثر زنوی کوانتومی فعال می‌شود. در این نقطه، حتی تأثیرات ضعیف از محیط اطراف می‌تواند حالت‌های کوانتومی کیوبیت‌ها را تغییر دهد.
 
شالر توضیح می‌دهد که هر اختلال مانند یک اندازه‌گیری ناخواسته عمل می‌کند و تکامل سیستم را کند می‌کند و در بدترین حالت، یک محاسبه می‌تواند کاملاً متوقف شود.
 
برای روشن‌تر شدن موضوع، می‌توان از قیاس پخت کیک استفاده کرد. یک کیک باید به اندازه کافی در فر باقی بماند تا خوب پخته شود.
 
باز کردن مکرر در برای بررسی آن، فرآیند را مختل می‌کند و می‌تواند کیک را پهن کند یا باعث ریزش آن شود. به روشی مشابه، هر اختلال، تکامل طبیعی یک حالت کوانتومی را قطع می‌کند. وقتی این وقفه‌ها به اندازه کافی مکرر رخ دهند، سیستم ممکن است به حالت نهایی مورد نظر نرسد و محاسبه تقریباً متوقف شود.
 
طراحان رایانه‌های کوانتومی ممکن است بتوانند این تهدید را با بهبود محافظت در برابر گرما و تشعشعات الکترومغناطیسی کاهش دهند. در قیاس پخت کیک، محافظت قوی‌تر مانند قفل کردن در فر است تا نتوان آن را مکرراً باز کرد.
 
شوتسهولد همچنین به روش‌های فعالی اشاره می‌کند که می‌توانند به حفظ محاسبه کمک کنند. او توضیح داد که با استفاده از روش اسپین‑اکو، می‌توانیم پالس‌های همدوس را برای کاهش اتصال کیوبیت‌ها به محیط خود اعمال کنیم.
 
این کار در قیاس فر، مانند افزایش مختصر دما هر بار که در باز می‌شود، برای جبران اتلاف حرارت ناشی از آن است.
 
شوتسهولد در پایان می‌گوید: «مطالعهٔ ما نشان می‌دهد که ما فقط زمانی می‌توانیم رایانه‌های کوانتومی قدرتمندی توسعه دهیم که تأثیرات محیطی را از همان ابتدا در نظر بگیریم».
 
این پژوهش نشان می‌دهد که مسیر دستیابی به رایانه‌های کوانتومی کارآمد، نه تنها به افزایش تعداد کیوبیت‌ها، بلکه به درک عمیق‌تر و مدیریت دقیق‌تر تعاملات آنها با محیط اطراف نیاز دارد.